I и II. Исследование фотоэлемента

Исследование фотоэлемента заключается в получении экспериментальным путем следующих его основных характеристик:

1. Зависимости сила фототока i от приложенного напряжения при по­стоянном световом потоке Ф (т.е. i = f(u) при Ф = const) называемом вольтам-перной характеристикой.

2. Зависимости фототока насыщения i_нас светового потока при по­стоянном анодном натяжении U (т.е. i_нас = f(Ф) при U = const) называемой све­товой характеристикой.

Снятие характеристик вакуумного фотоэлемента типа СЦВ – 3 проводится на измерительном установке, электрическая схема которой показана на рис.1.

Рис.1

В установке используется источник переменного тока, выпрямитель В парал­лельно которому включен потенциометр R. При помощи потенциометра можно изменять напряжение на фотоэлементе от 0 и до 200 В.

Фотокатод фотоэлемента освещают электрической лампочкой Л, которая ук­реплена на оптической скамье и может перемещаться вдоль нее (электрическая лампа Л включается в сеть с напряжением 220 В).

Фотокатодом исследуемого вакуумного фотоэлемента СЦВ – 3 служит соеди­нение сурьмы и цезия Cs₃Sb, которое образуется путем последовательной кон­денсации паров этих металлов в вакууме. Электрические выводы от катода и ано­да впаяны в нижнюю часть баллона фотоэлемента и вмонтированы в его цоколь. Фотоэлемент такого устройства специально для осмотра помещен на демонстра­ционном стенде в лаборатории.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

I. Исследование зависимости силы фототока от величины приложенного к фо­тоэлементу напряжения (снятие вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента).

1. Включить измерительную установку (см. рис. 1) и электролампу в сеть ~ 220 В.

2. Лампу установить на расстоянии r₁ = 10 см от фотоэлемента.

3. Изменяя анодное напряжение, снять вольтамперную характеристику i = f(u) фотоэлемента.

Измерение фототока i₁ проводить при возрастании напряжения через каждые 10 вольт от 0 до 120 В. Результаты измерений занести в табл. 1.

Талица 1.

№№ пп	U (B)	i1 (мкА)	i2 (мкА)
…	…

4. Повторить измерения, установив электролампу на расстоянии

r₂ = 20 см от фотоэлемента. Результаты измерения фототока занести в табл.1.

5. По полученным данным на одном листе миллиметровой бумаги по­строить два графика i = f(u) для двух положений источника света, откладывая по оси абсцисс напряжение, а по оси ординат - фототок.

II. Исследование зависимости фототока насыщения от светового потока (снятие- световой характеристики)

1. Включить измерительную установку (см. рис. 1) и электролампу в сеть ~ 220 В.

2. Установить на фотоэлементе постоянное напряжение 130 В.

3. Перемещая электролампу по оптической скамье к фотоэлементу с расстояния

r = 40 см до 10 см, через каждые 5 см измерять фототек. Результаты измерений занести в табл.2.

4. Повторить измерения фототока при удалении лампы от фотоэлемента через каждые 5 см в первоначальное положение. Результаты измерений фототока i₂ занести в табл.2.

Таблица 2

№ пп	r(м)	i1(мкА)	i2 (мкА)	iср	Ф (лм)
	0,40
	0,35
…
…
…
	0,10

U = 100 B, J = 1 ккд, S = 1 см²

5. Вычислить для каждого расстояния r среднее значение фототока

i_ср =

6. Вычислить для каждого расстояния r соответствующие значения све­тового потока Ф.

Указание: а) световой поток, падающий на фотокатод

Ф = ES (9)

где S (м² ) – освещаемая площадь фотокатода;

Е (лк) - освещенность фотокатода, определяемая по формуле:

E = cosa (10)

где J (св) – сила света источника (указана на устанке);

r (м) – расстояние от источника до фотокатода;

a – угол падения световых лучей (в данном случае = 0 и cosa = 1).

Тогда расчетную формулу для светового потока можно записать в виде:

Ф =

а) расстояние r от источника до фотокатода фотоэлемента в данной установке равно расстоянию от источника света до метки на масштабной линейке (см. уста­новку);

б) значения анодного напряжения и, силы света источника и площади фото­катода S (указанной на установке) занести в отчет. Результаты вычисления свето­вого потока Ф занести в табл.2.

7. Построить на миллиметровой бумаге график i_ср = f(Ф)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?

2. Каковы закономерности фотоэффекта, открытые Столетовым?

3. В чем суть квантовой теории света?

4. Каковы характеристики фотона

5. Как записывается уравнение Эйнштейна для фотоэффекта? Каков фи­зический смысл входящих в него величин?

6. Как уравнение Эйнштейна объясняет закономерности фотоэффекта?

7. Что такое "красная граница" фотоэффекта и почему она носит такое название?

8. Как устроен фотоэлемент?

9. Что называется световой характеристикой фотоэлемента?

10. Что такое вольтамперная характеристика фотоэлемента? Что называ­ется фототоком насыщения?

11. Каково устройство и принцип работы фотодинатрона? Что называет­ся коэффициентом вторичной эмиссии электронов?

12. Каким образом в работе определяется "красная граница" фотоэффек­та? Почему используется метод экстраполяции?

13. Обладает ли фотоэффект инерционностью?

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: учеб.пособ./Т.И.Трофимова.- М: Академия, 2004.- 560с.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики [Текст]: в 5-ти кн.: учеб.пособ. / И.В. Савельев.- М.: Астрель: АСМ, 2005. кн.4: Волновая оптика -256с.